Neurodegeneration and Protein Aggregation PDF

28/09/23 BOUTAHAR Système neurosensoriel UE6 DEBOST Lily-Rose GRANGER Elina Neurodégénérescence et agrégation des protéines I. Introduction On observe souvent une corrélation entre les maladies neurodégénératives et la présence d’agrégation de protéines altérées. La question est de savoir si l’ag...

28/09/23 BOUTAHAR Système neurosensoriel UE6 DEBOST Lily-Rose GRANGER Elina Neurodégénérescence et agrégation des protéines I. Introduction On observe souvent une corrélation entre les maladies neurodégénératives et la présence d’agrégation de protéines altérées. La question est de savoir si l’agrégation est la cause de la maladie ou bien la conséquence de la pathologie. La causalité est encore mal connue. II. Maladie d’Alzheimer ALZHEIMER  1re mise en évidence chez une femme de 51 ans : dégradation de la mémoire et désorientation. Historique  Au cours de l’analyse post-mortem Aloïs Alzheimer met en évidence la présence d’agrégation de peptides β-amyloïde (existe de manière physiologique) formant des plaques séniles dans le milieu extracellulaire. On observe aussi des fibrilles (dégénérescence neurofibrillaire) intra-neuronales.  Le peptide β-amyloïde provient du précurseur APP (amyloïd precursor protein).  La protéine APP est un facteur transmembranaire ubiquitaire de survie des cellules neuronales et de trophisme. Dans les conditions normales, elle est clivée 2 fois par des protéases. Plaques séniles  Voie physiologique : APP subit l’action de l’α-sécrétase donnant une alpha-APP (de 40 AA) ayant un rôle bénéfique dans la plasticité neuronale. Sous l’action d’une γ-sécrétase on a un autre fragment, le p3 (action dans la plasticité neuronale). 2 voies de clivage  Voie pathologique amyloïdogénique : la β-sécrétase et la γ-sécrétase coupent successivement l’APP pour donner le β-APP puis le peptide β-amyloïde de 42 AA. o La formation d’oligomères très hydrophobe de peptide β-amyloïde dans le milieu extracellulaire donne les plaques séniles β-amyloïde. o Cette voie dite amyloïdogénique est pathologique et provient d’un mauvais clivage de l’APP. o Chez les patients Alzheimer, on a des plaques séniles matures où on retrouve l’APP de 40 aa et le petit ide β-amyloïde de 42 aa. Formes  Familiale : 5-7% de la population, due à des altérations des chromosomes 1,14 et 21 codant pour Préséniline 1 et 2 et APP 1  Sporadique : majoritaire. Facteur de risque génétique principal : mutation de l’apolipoprotéine ApoE4 retrouvée dans les chylomicrons. o Il y a 3 formes d’apolipoprotéines E : E2, E3 (la plus fréquente dans la population générale) et E4 (principal facteur de risque en cas de mutation). 1. Hypothèse de la cascade amyloïde HYPOTHESE DE LA CASCADE AMYLOÏDE  Déséquilibre entre la synthèse du peptide β-amyloïde et sa clairance. o Augmentation de la synthèse (forme familiale) Apparition des plaques séniles o Diminution de la clairance (forme sporadique)  Ces 2 phénomènes conduisent à l’accumulation de ce peptide, son oligomérisation et la formation de plaques amyloïdes = séniles o Réponse inflammatoire produisant un déséquilibre ionique, aggravant le stress oxydatif des neurones avec des kinases et phosphatases intracellulaires altérées. Caractéristiques de la maladie  Plaques séniles  Dégénérescence neuro fibrillaire (désorganisation microtubules) par hyper-phosphorylation de la protéine Tau 2. Dégénérescence neurofibrillaire (DNF) DÉGÉNÉRESCENCE NEUROFIBRILLAIRE (DNF) Protéine TAU  A côté de ces plaques séniles, les patients atteint de la maladie d’Alzheimer ont une dégénérescence neurofibrillaire (altération du cytosquelette des neurones). La protéine TAU, consolidant les structures de microtubules est hyper-phosphorylée ce qui entraine la désolidarisation des microtubules. On a donc une désorganisation du système de transport antérograde et rétrograde conduisant à la dégénérescence neuronale.  Les protéines tau sont exprimées sont le SNC et codées par le gène MAPT.  La protéine Tau existe sous 6 isoformes donnés par l’épissage alternatif des exons 2, 3 et 10. Profil de migration électrophorétique de la protéine TAU  Si on fait un marquage des protéines TAU phosphorylé, on va retrouver 4 bandes car les 2 isoformes vont migrer au même endroit contrairement aux 6 bandes normalement. Les isoformes phosphorylés sont plus lourdes et avoir le même poids moléculaire que d’autres isoformes nonphosphorylés. 2 DIAGNOSTIC  Le diagnostic est établi grâce à la combinaison de plusieurs éléments : o Plainte du patient Diagnostic biologique o Examen clinique o Tests neuropsychologiques o Marqueurs d’imageries o Biomarqueurs (dosage du peptide B-amyloïde et de Tau phosphorylé) Diagnostic probabiliste  La certitude est apportée post mortem grâce à la visualisation des agrégats de protéines.  Diagnostique probabiliste seulement possible. 3. Agrégation de protéine, cause ou conséquence ? Il semblerait que l’agrégation protéique intervienne dans la mort neuronale, mais les mécanismes ne sont pas encore clairement établis. La maladie d’Alzheimer associe donc la présence de plaques séniles de protéines β-amyloïde mal clivées et une hyperphosphorylation des protéines TAU provoquant une dégénérescence neurofibrillaire. Les différentes maladies neurodégénératives sont caractérisées par l’agrégation de protéines (protéinopathie). III. Maladies à prions La protéine prion est une protéine normale de nos cellules, formées majoritairement d’hélices alpha. La protéine pathologique a la même structure primaire mais pas la même structure secondaire. Elle possède plus de feuillets beta, ce qui modifie son activité et la rend pathogène. Elle a un pouvoir infectieux puisqu’elle induit la maladie et transforme les autres protéines saines. Elle peut être transmise par ingestion et par voie sanguine. Les feuillets béta lui confèrent une grande résistance aux protéases et aux dégradations en générales. Elle va s’accumuler dans le cerveau et être à l’origine d’une neurodégénérescence et de démence. L’encéphalopathie spongiforme bovine entraine démence, coma et décès. IV. Maladie de Parkinson MALADIE DE PARKINSON Alpha-synucléine qui s’agrège  Son mauvais repliement peut résulter à la fois de mutations génétiques (formes familiales) et d’altérations post traductionnelles (stress oxydant, formes sporadiques).  L’interaction avec le réseau de microtubules Intervient dans plusieurs phénomènes  La régulation de l’homéostasie calcique  Le métabolisme des catécholamines des neurones dopaminergiques  La formation de vésicules V. Huntington HUNTINGTON  Intervient dans le trafic vésiculaire et le transport intracellulaire Huntingtine (Htt) qui s’agrège  Une mutation touche la séquence codante et non codante du gène.  Affection est d’origine génétique à transmission dominante. 3  L’anomalie est au niveau du gène Huntingtine dans le chromosome 4. On va retrouver des séquences CAG répétée (> 37 répétitions pour les patients Huntington au lieu de 10 à 35 répétitions en physiologie).  Si le nombre de Glutamine dépasse 37, on a un changement de conformation de la protéine et déclaration des symptômes.  Se déclare en général vers l’âge de 40 ans. Maladie  Perte des neurones entrainant à la fois une perte des fonctions cognitives et motrices.  Sur le plan clinique, on observe une chorée, celle de Huntington Diagnostic  Analyse génétique : on cible les exons où se trouvent les répétitions du triplet de nucléotides CAG et on amplifie ces régions par PCR puis on les analyse par électrophorèse o Plus le nombre de répétitions est important, plus l’atteinte sera importante VI. SLA Présence d’agrégat de SOD censée intervenir dans la détoxification des radicaux libres ou de TDP-43 qui intervient physiologiquement dans le métabolisme de l’ARN. VII. Hypothèse infectieuse ?  L’agrégation des protéines participerait à la propagation de la neurodégénérescence des neurones dans le cerveau.  A la mort des neurones, les assemblages protéiques qui se sont formés et accumulés sont libérés. Ils se lient aux membranes des neurones avoisinants, les traversent, et servent d’amorces pour l’agrégation des protéines des cellules saines entrainant de proche en proche la dégénérescence des neurones dans le cerveau.  Une cible thérapeutique essentielle est de prévenir l’agrégation. Après des tests cliniques, on a vu que l’administration pré-symptomatique de drogues inhibant l’agrégation des protéines entraine une réduction de l’incidence de ces maladies. VIII. Rôles des voies de dégradation des protéines intracellulaires dans les maladies neurodégénératives 1. Deux voies de dégradation majeure 2 VOIES DE DEGRADATION MAJEURES Ubiquitineprotéasome  L’ajout d’une chaîne d’ubiquitine (4) par 3 enzymes types ligases (E1, E2, E3) entraine la reconnaissance de la protéine vieillissante ou mal-repliée par le protéasome qui va la dégrader. o De nombreuses protéinopathies sont associées à une baisse de l’activité du protéasome.  Ex : la mutation de Parkin E3 ligase participerait à la maladie de Parkinson.  Formation d’une double membrane (autophagosome) capturant une partie du cytoplasme et fusionnant avec un lysosome pour créer un autophagolysosome dégradant les protéines altérées contenues dans le cytoplasme. Autophagie  Augmenter l’autophagie pourrait être envisagé comme solution (préférable à l’augmentation du protéasome) car les substrats de l’autophagie sont des protéines de longue durée de vie.  Le protéasome intervient pour éliminer les protéines de courte durée de vie (p53) tandis que l’autophagie concerne les protéines de longue durée de vie 4 2. Stratégies thérapeutiques STRATEGIES THERAPEUTIQUES  Non envisageable car c’est un mécanisme intervenant dans l’homéostasie. Augmenter l’activité de dégradation protéasome Augmenter la quantité de protéines chaperonnes o Il détruit aussi des protéines à courte durée de vie comme p53. o L’augmentation de son activité augmenterait les risques de cancer.  Permettrait d’entrainer moins d’agrégats en repliant mieux les protéines.  Cela poserait moins de problèmes que le protéasome.  Moins néfaste pour la cellule. Augmenter l’activité de dégradation par autophagie  Permettrait de dégrader les protéines agrégées qui n’ont pas accès au protéasome qui ont une longue durée de vie.  L’autophagie est la voie de dégradation par défaut pour les substrats non accessibles au protéasome. IX. QCM QUESTION 1 : A propos de la maladie d’Alzheimer : A. La maladie d’Alzheimer est due à un mauvais clivage d’APP (amyloid precursor protein), à l’origine de plaques séniles. B. On retrouve une dégénérescence neurofibrillaire, entrainant une désolidarisation des microtubules. C. On retrouve majoritairement des formes familiales, avec la mutation de l’ApoE4 D. Une hyperphosphorylation de la protéine MAP2 entraine la dégénerescence neurofibrillaire. E. La réponse inflammatoire engendrée par les plaques séniles augmente le stress oxydatif des neurones et altère les kinases et phosphatases intracellulaires QUESTION 2 : A propos de la neurodégénérescence : A. L’augmentation de l’activité du protéasome est une stratégie thérapeutique envisageable. B. l’autophagie intervient pour dégrader les protéines à longue durée de vie C. Dans la maladie de Huntington, lorsqu’une répétition de la séquence CAG devient inférieure à 37, cela déclenche la maladie D. L’alpha-synucléine est la protéine qui s’agrège dans la maladie de Parkinson E. Dans la maladie des prions, la protéine pathologique possède une faible résistance aux protéases. Réponses 1: ABE A. VRAI B. VRAI C. FAUX : on retrouve majoritairement des formes sporadiques, avec comme facteur de risque la mutation de l’ApoE4. D. FAUX : Une hyperphosphorylation de la protéine Tau entraine la dégénerescence neurofibrillaire. E. VRAI Réponses 2 : BD A. FAUX : L’augmentation de l’activité du protéasome est une stratégie thérapeutique non envisageable, car c’est un mécanisme intervenant dans l’homéostasie B. VRAI 5 C. FAUX : Dans la maladie de Huntington, lorsqu’une répétition de la séquence CAG devient supérieure à 37, cela déclenche la maladie D. VRAI E. FAUX : Dans la maladie des prions, la protéine pathologique possède une forte résistance aux protéases. QCM de l’année dernière QUESTION N°1 : Concernant la maladie d’Alzheimer, cochez-la (ou les) proposition(s) exacte(s) : A. Sur une biopsie cérébrale post-mortem d’un malade, on retrouve : des plaques séniles et des neurofibrilles dégénérescentes. B. La voie physiologique du clivage de l’APP fait intervenir l’𝛽-sécrétase puis la ϒ-sécrétase. C. La forme sporadique est plus fréquente que la forme familiale. D. Dans la forme familiale c’est l’Apo E4 qui est modifiée. E. La protéine Tau est hyperphosphorylée. QUESTION N°2 : Concernant les protéinopathies, cochez-la (ou les) proposition(s) exacte(s) : A. L’accumulation de protéines prions est dû à sa structure secondaire, avec une augmentation de feuillet β B. La maladie de Parkinson a pour origine une agrégation de SOD C. La maladie d’Huntington intervient généralement chez des patients de plus de 50 ans présentant des chorées et un profil génétique comportant plus de 10 répétitions du codon CAG sur le chromosome 4. D. La capacité d’accumulation protéique peut se transmettre de neurone en neurone E. Les stratégies thérapeutiques visant à augmenter les effets du protéasome sont prometteuses car peu toxiques. Réponses 1 : ACDE A : VRAI B : FAUX : La voie physiologique du clivage de l’APP fait intervenir l’𝜶-sécrétase puis la ϒ-sécrétase C : VRAI D : VRAI E : VRAI Réponses 2 : AD A : VRAI B : FAUX : La maladie de Parkinson a pour origine une agrégation l’alpha-synucléine C : FAUX : La maladie d’Huntington intervient généralement chez des patients de plus de 50 ans présentant des chorées et un profil génétique comportant plus de 37 répétitions du codon CAG sur le chromosome 4. D : VRAI E : FAUX : Les stratégies thérapeutiques visant à augmenter les effets du protéasome sont peu prometteuses car à risque de cancer. 6